Nickel-Diffusion in α-Eisen übersättigt mit Kohlenstoff
Nickel-diffusion in α-iron supersaturated with carbon
von Thomas Kresse
Datum der mündl. Prüfung:2013-06-19
Erschienen:2013-07-18
Betreuer:Prof. Dr. Reiner Kirchheim
Gutachter:Prof. Dr. Reiner Kirchheim
Gutachter:Prof. Dr. Michael Seibt
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Name:Kresse_Thomas_2013.pdf
Size:8.75Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
In cold-drawn pearlitic steel wires dissociation of cementite occurs during mechanical deformation. This phenomenon has substantial influence on the physical properties of the material owing to the defect structure which builds up during heavy straining. In this work the influence of cementite decomposition on the vacancy concentration in ferrite (α-iron) was investigated in an indirect way by determining the nickel-diffusion coefficient using atom probe tomography (APT). In the observed temperature range between 423 and 523 K a strong correlation between the nickel-diffusion coefficient and the carbon concentration in ferrite was found. Furthermore, an activation enthalpy of Ni-diffusion of (0.66 ± 0.05) eV was determinated which is much smaller than the activation enthalpy for self-diffusion in α-iron (2.6 eV), indicating an increased vacancy concentration. Both the correlation between the diffusion coefficient and the carbon content and the increased vacancy concentration can be explained by the formation of vacancy-carbon complexes in ferrite due to the enrichment of carbon in ferrite because of the decomposition of cementite. The results of this work were discussed within the framework of the defactant concept where the binding of supersaturated carbon to vacancies reduces their formation enthalpy.
Keywords: atom probe tomography; APT; vacancy-carbon complexes; nickel-diffusion; defactant concept; bcc-iron; pearlitic steel
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In kaltgezogenen perlitischen Stahldrähten tritt bei mechanischer Verformung eine Zementitauflösung auf. Dieses Phänomen hat aufgrund der Defektstruktur, die sich während der starken Belastung aufbaut, erheblichen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Materials. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Zementitauflösung auf die Leerstellenkonzentration in Ferrit (α-Eisen) auf indirektem Weg über die Bestimmung des Diffusionskoeffizienten von Nickel mittels Atomsondentomografie (APT) untersucht. Im untersuchten Temperaturbereich zwischen 423 und 523 K wurde eine starke Korrelation zwischen dem Diffusionskoeffizienten von Nickel und der Kohlenstoffkonzentration in Ferrit festgestellt. Des Weiteren wurde für die Ni-Diffusion eine Aktivierungsenthalpie von (0.66 ± 0.05) eV ermittelt, welche sehr viel kleiner ist als die Aktivierungsenthalpie für die Selbstdiffusion in α-Eisen (2.6 eV), was auf eine erhöhte Leerstellenkonzentration hinweist. Sowohl die Korrelation zwischen dem Diffusionskoeffizienten und der Kohlenstoffkonzentration als auch die erhöhte Leerstellenkonzentration können (aufgrund der Anreicherung des Ferrits mit Kohlenstoff infolge der Zementitauflösung) mit der Bildung von Leerstellen-Kohlenstoff-Komplexen im Ferrit erklärt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden im Rahmen des Defactant-Konzepts, nach dem die Bindung von übersättigtem Kohlenstoff an Leerstellen deren Bildungsenthalpie absenkt, diskutiert.
Schlagwörter: Atomsondentomografie; APT; Leerstellen-Kohlenstoff-Komplexe; Nickel-Diffusion; Defactant-Konzept; bcc-Eisen; perlitischer Stahl